JP4780634B2 - 自動車用構造補強システム - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は一般的には、フレームアセンブリの剛性および強度を強化するのに用いられる、補強された構造材に関する。さらに詳細には、本発明は、膨張性の材料でその表面の一部が被覆された部材によって補強された自動車用の車両フレームシステムに関する。それらの組み合わせによって、自動車の構造的剛性および強度を増強させる。
【０００２】
（発明の背景）
車両産業において、車両の重量を大幅に増やさない、補強された構造材を設計することは長い間の課題であった。米国特許第5,755,486号、第4,901,500号、第4,751,249号には、従来の補強装置が説明されている。これら従来の補強装置は特定の状況においては有利であるが、補強構造材を様々な形状の色々な構造物と結合させることができる単純かつ低コストな構造材が求められている。自動車業界においても、自動車のフレーム構造を比較的低コストで補強するためのシステムが求められてきた。
【０００３】
（発明の概要）
本発明は、構造補強システムに関し、特に自動車のフレーム構造体、例えば車両のルーフおよびピラーの構造体（これらに限定されるものではない）を補強するものに関する。このシステムは、通常、補強対象の構造体の剛性を高め、加えられた負荷を分散させるための骨組みを有する。使用時において、骨組みは、少なくともその外側面の一部にエネルギー吸収媒体、例えば熱により活性化される接着材料と接している。特に好適な実施形態においては、この骨組みはモールド成型された金属または複合材料のフレームであって、少なくともその一部分が発泡性のエポキシベースの樹脂（レジン）、例えばミシガン州ロメオのＬ＆Ｌプロダクト社から販売されるＬ５２０６、Ｌ５２０７、Ｌ５２０８またはＬ５２０９構造発泡材料によって覆われている。
一実施形態において、適切な分量の接着材料または負荷伝達媒体を持つ骨組みは、自動車内の空洞、例えば車両のルーフ構造体またはピラー構造体もしくはその両方に設置される。接着材料は、骨組みと空洞を形成している壁部材との間の空間において樹脂を膨張させるために活性化される。結果として、構造発泡材料の助けにより壁部材が骨組みに結合した構造が得られる。
【０００４】
（図面の簡単な説明）
本発明の特徴および発明の観点は、後述する詳細な説明、特許請求の範囲および図面によってより明らかになる。
図１は、自動車のルーフ構造体およびピラーの構造体の外観を示す斜視図である。ＡピラーおよびＢピラーが図示されている。
図２は、本発明に従った、膨張性樹脂で被覆された骨組みの斜視図である。
図３は、図２の構造の別の斜視図である。
図４は、膨張性樹脂の活性化前の被覆された骨組みの断面図である。
図５は、膨張性樹脂の活性化後の図４の骨組みの構造を示している。
図６は、本発明に従った、別の実施形態の構造の斜視図である。
図７は、図６の構造の側面図である。
図８は、本発明に従ったさらに別の実施形態を示す図である。
図９は、図８の構造と車両のピラー構造との組み合わせを示す図である。
【０００５】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１は、一例としての自動車１０を示すものであり、そのフレーム構造の一部が図示されている。このような構造においては、複数の中空の車両フレーム部材がつなぎ合わされてフレームを構成するのが一般的である。そのような構造の例として、車両のルーフまたはピラー構造が挙げられる（但し、これらに限られるものではない）。ルーフおよびピラー構造には、ウィンドウ、サンルーフ、他の取外し可能なトップ、車両のドア、ドアの部品、ヘッドライナー（オーバーヘッドアクセサリを含んでも、含まなくても）等を含んでもよいことが理解される。後述するように、その他の車両フレーム部材にも本発明は適用可能である。
【０００６】
図２には、Ａピラー１２およびＢピラー１４が示されているが、その他のピラーに対しても本発明は適用可能である。図１には、Ａピラー１２とＢピラー１４をつなぐルーフ構造の一部も示されている。
車両の設計によっては、ＡピラーとＢピラーをつなぐルーフ構造は、ＡピラーおよびＢピラーから見分けがつかず、Ａピラー構造とＢピラー構造とがお互いに隣接している場合もある。そのような場合は、ピラー構造のもっとも上部がルーフ構造であるとみなされる。
【０００７】
ルーフおよびピラー部分は、本発明の骨組み（Skeleton）を１または複数個、ルーフまたはピラーの中空または空洞部分に配置することによって補強される。図１は、その一例を示したものであり、第１部材１６、第２部材１８、第３部材２０が各所に配置された様子を示している。部材１６、１８、２０は、好適には、接着材料によって、少なくともルーフおよびピラー部分のどちらかにシーリングをもたらすように固定される。熱による活性化により骨組みに接着力が生じ、中空部において動かないように骨組みと中空部を形成する壁とを接着する。
【０００８】
様々な熱活性化材料の使用が可能であるが、好適な熱活性化材料は、膨張性のプラスティックであり、さらに好適には発泡性を有するものである。特に好適な材料としては、エポキシベースの構造発泡材料(Structural Foam）が挙げられる。例えば、一実施形態においては、構造発泡材料は、αオレフィンを含むエチレン共重合体または三元共重合体を含む、エポキシベースの材料である。共重合体、三元共重合体とは、２または３の異なった単量体（モノマー：類似の分子と結合する高い化学的反応性をもつ低分子量の分子）から構成される重合体（ポリマー）である。
【０００９】
当該技術分野において数多くのエポキシベースの構造補強発泡材料（Structural Reinforcing Foam）が知られており、構造発泡材料の生成にも使用できる。典型的な構造発泡材料は、例えばエポキシ樹脂、エチレンベースポリマーなどの高分子材料であって、それらは適切な材料（一般的には、発泡剤、硬化剤）と混合されると、加熱または特定の環境条件において、予測可能かつ信頼性の高い方法で膨張し、硬化する。熱活性化材料に対する化学的見地からすると、構造発泡材料は通常、硬化の前に、まず流動性熱可塑性プラスティックとして処理される。硬化時において架橋がおこり、材料は流動性を失う。
【００１０】
好適な構造発泡材料の製剤の一例は、ミシガン州ロメオのＬ＆Ｌプロダクト社から販売されるエポキシベースの材料、名称Ｌ５２０６，Ｌ５２０７，Ｌ５２０８，Ｌ５２０９である。好適な構造発泡材料１４の従来の材料に対する特長の一つは、好適な材料はいくつかの方法で処理が可能なことである。好適な材料は、射出成型、押し出し圧縮成型、ミニアプリケーターによって処理可能である。これによって、部品設計において、ほとんどの従来材料がもつ特性を越える形成および造形を可能にする。好適な実施形態の構造発泡材料(硬化前状態）はおおよそ乾燥しており、触っても手や指に付きにくい（べたつかない）。
構造発泡材料を製造するのに好適な材料について説明したが、構造発泡材料はその他の材料から製造してもよい。その他の材料は、熱によって活性化されるか、またはある環境条件（例えば、湿気、気圧、時間、その他）によって活性化され、選択された用途に対する適切な条件下で予測可能かつ信頼性の高い方法で硬化するものであればよい。そのような材料の一例として、本願の出願人によって、１９９９年３月８日に米国特許商標庁に出願された米国特許出願番号０９／２６８，８１０に開示されているエポキシベースの樹脂がある。当該出願中の開示事項は本願に含まれるものとする。その他の可能性のある材料としては、ポリオレフィン系の材料、αオレフィンの単量体を持つ共重合体または三元重合体、フェノール／ホルムアルデヒド系の材料、フェノキシー系の材料、高いガラス転移温度を有するポリウレタン系の材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、米国特許５，７６６，７１９；５，７５５，４８６；５，５７５，５２６および５，９３２，６８０も参照されたい（これらの特許公報の開示事項も本願に含まれる）。一般的に、構造発泡材料の好ましい特性として、比較的に高い剛性、高い強度、高いガラス転移温度（典型的には、セ氏７０度より上）、良好な耐腐食特性が挙げられる。これにより、これらの材料は通常自動車製造者が採用する構造材料とは干渉しない。
熱によって活性化を行う場合には、熱膨張性の材料が用いられる。この際、構造発泡材料を含む材料の選択および製造において、最も考慮しなければならない点は、材料の反応または膨張、あるいは硬化が始まる温度である。例えば、ほとんどの応用例においては、材料が室温または生産ラインの環境温度において反応性を持つのは望ましくない。典型的には、構造発泡材料は、自動車の組みたて工場において生じ得る、より高い処理温度で活性化する。それは、例えば塗装準備工程において、高い温度または高いエネルギーレベルの下で自動車の部品とともに構造発泡材料が処理されるときである。自動車の組みたて工程において生じ得る温度はおそらくセ氏１４８．８９度から２０４．４４度（華氏３００度から４００度）までの範囲であるが、ボディまたは塗装の工程においては、通常セ氏９３．３３度（おおよそ華氏２００度）またはもう少し高い温度である。必要に応じて、発泡材料の活性剤を合成材料に導入し、上記の温度範囲以外の温度において発泡させることもできる。
【００１１】
一般に、適切な発泡材料はその膨張率がおおよそ０から１０００％のものである。構造発泡材料１４の膨張レベルは１５００％またはそれ以上まで増やすことができる。通常は、膨張率を低くした方が、より高い強度が得られる。
【００１２】
図２には、本発明の第１補強部材１６の一例が示されている。この実施形態は、例えば、自動車のルーフ２２とＡピラーとの接合点を補強するのに有効である。第１部材１６は、自動車のルーフ構造内の空洞に配置される第１部分２４と、図示されるＡピラーのような自動車のピラー内の空洞に配置される第２部分２６とを有する。第１部分２４および第２部分２６の断面輪郭は、通常、対向する側のルーフまたはピラー構造における空洞の壁と相補的であることが望ましい。この部材は中実（solid）なものであってもよいが、部材は好適には骨組みを持ち、それによって所望の剛性を確保しつつ重量を最小化する。したがって、骨組みは好適には複数の骨（リブ）を持ち、それらの骨は梁類似（例えばI型梁）の機能を有することが望ましく、それによって部材の強度を制御する。図２、３において、複数の梁が互いに直交するように配置されている様子が示されている。しかしながら、このような配置に限定されるものではなく、骨の配置は所望の結果に応じて様々に変更可能である。
【００１３】
しかしながら、一般に、骨は負荷が加わる表面に対して近接して、かつ通常はかかる表面と非平行な関係になるように配置される。図２において、複数の第１骨２８が部材の表面（膨張性材料３０に被覆されている）に近接して配置されている。図３には、より大きな安定性をもたらすために、骨２８（参照符号は一部の骨について付しているが、すべての骨には付していない）を互いに組み合わせる方法が示されている。これらの骨によって比較的高い曲げモーメントが得られるため、部材を過度に重くすることなく、用途に合わせて骨を設計し配置することにより、負荷が加わることが予想される箇所における剛性を高くすることができる。同時に、骨とともに用いられる、エネルギーを分散させる発泡材料および連続した表面により、負荷をより分散させることができる。さらに、このような設計により、軽量化が図られる。例えば、部材の断面積は、その両端部間において、端から少なくとも４分の１の位置までにおいてはその場所の断面輪郭面積の７５％未満、半分の位置までにおいてはその場所の断面輪郭面積の５０％未満、さらにおおよそ４分の３以上の位置においてはその場所の断面輪郭面積の２０％未満となる。このようにして、同じ材料の中実（solid）構造に比べて、それぞれの位置において、おおよそ５０％、７０％または９０％の重量軽減を達成することができる。
【００１４】
部材１６、１８、２０を自動車のフレームに取りつけるために、適切なファスナー、ストラップ、その他の機械的連結部材を含む別の器具が使用可能である。本構造材に設けられた貫通孔（スルーホール）３２は、自動車の製造工程を容易にするためのものである。特に好適な実施形態においては、本発明の骨組みは射出成型されたプラスティック、例えばナイロンでできている。しかしながら、同様の結果を得るために、その他の材料および他の製造技術を用いることは可能である。例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム等の重量対強度比の高い金属部材や、またファイバーとポリマーの層状体のように強度を持たせるために圧縮成型可能なポリマー合成物（コンポジット）も使用可能である。
【００１５】
図１に戻って、本発明が自動車に用いられる場合、骨組みは、膨張性材料（熱活性化エポキシベースの発泡材料）に被覆されている場合には特に、特定の領域を、梁状の骨による剛性強化と、比較的高い表面領域、連続した表面および膨張性材料の組み合わせによる負荷分散とを組み合わせることにより、補強することができる。
【００１６】
他の好適実施形態においては、膨張性材料は、それが膨張することによって、空洞を液体やその他の物が通過するのを阻止する封止材（シーラント）として機能する。従って、そのような実施形態においては、膨張性材料は、骨組みのうち、自動車のフレーム構造を封止するように接触していない部分の周囲をおおよそすべて連続して覆うように設けられる。図５は、膨張性材料３０によって被覆された骨組み１６（図４）が膨張性材料３０の活性化（図５は膨張した状態）によってその場に封止されるようすを示している。
【００１７】
図６から９は、本発明の他の実施形態を示すものである。図６、図７は、自動車のピラー用の補強部材１８を示す。この骨組みは、複数の骨３４が１以上の連続した表面３６（膨張材３８に被覆されている）に隣接した構造を有している。
【００１８】
膨張性材料は膨張した状態で示されている。当業者であれば、すべての骨が図示されているわけではないこと、それぞれの骨の仕様の設計は、その想定用途および補強箇所（例えば、自動車のフレーム構造である壁４０および４２は空洞を形成している）の形状によって変化することが理解できるだろう。これらの骨に対して膨張性材料がより多く接触するように構成することもできる。
【００１９】
図８および９は、本発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態においては、複数の骨４４およびおおよそ連続した表面（層４６に被覆されている）からなる骨組み２０が、自動車の製造のための構造を含んで形成されている。特に図示された実施形態は、車体の組み立て工程における溶接のためのアクセス用またはそれに類似した目的のために、複数の貫通孔４８を有する。図９にあるように、この実施形態では、膨張性材料の層４６は、その膨張にともない、構造体の断面においてその周囲を覆っている。
【００２０】
当業者は、本明細書に開示された補強材の使用が、図１に示された箇所に限定されるものではないことが理解できるだろう。これらは、自動車のフレームのあらゆる箇所に使用可能である。例えば、その他の補強箇所としては、ピラーからドア領域にかけて、ルーフからピラーにかけて、中間(mid)ピラー、ルーフレール、ウィンドシールドまたはその他のウィンドウフレーム、デッキ・リッド（Deck Lid、荷物室のふた）、ハッチ、取外し可能な（リムーバブル）トップからルーフへの箇所、その他の車両ベルトライン各部、エンジンレール（motor rail）、ロワーシル（lower sill）、クロスメンバ、ロワーレールその他が挙げられる。もっともこれらは例示であって、これらの箇所に限られるわけではない。さらに、車両のルーフトップは本発明により、より大きな負荷に耐えられるように補強することができる。ルーフおよびピラー構造を例に説明したのと同様の方法で、膨張性材料を持つ補強フレーム部材が自動車のフレーム構造中の空洞に配置される。膨張性材料を膨張させることにより、補強部材をその箇所で固定するように機能する。
【００２１】
本発明を好適な実施形態を例に説明した。当業者であれば本発明の教示の範囲内において、様々な変形が可能であることが理解できる。従って、本発明の正当な範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動車のルーフ構造体およびピラーの構造体の外観を示す斜視図である。ＡピラーおよびＢピラーが図示されている。
【図２】本発明に従った、膨張性樹脂で被覆された骨組みの斜視図である。
【図３】図２の構造の別の斜視図である。
【図４】膨張性樹脂の活性化前の被覆された骨組みの断面図である。
【図５】膨張性樹脂の活性化後の図４の骨組みの構造を示している。
【図６】本発明に従った、別の実施形態の構造の斜視図である。
【図７】図６の構造の側面図である。
【図８】本発明に従ったさらに別の実施形態を示す図である。
【図９】図８の構造と車両のピラー構造との組み合わせを示す図である。

Claims (8)

1. 自動車のルーフとピラーの接合点用の補強システムであって、補強用の複数の骨を有し、自動車のルーフ及びピラー内の空洞に配置するように構成された細長い骨組みと、膨張に先立って前記骨組みの少なくとも一部の外表面上に配置される膨張性材料とを有しており、
   前記骨組みは、前記空洞を形成する壁部分の少なくとも１つと対向する第１外表面と、前記第１外表面とは反対を向く第２外表面を有しており、前記第１外表面は、前記骨組みの全長に亘って延びており、
   また、前記骨組みは、自動車のルーフ内の空洞に配置される第１部分と、自動車のピラー内の空洞に配置される第２部分とを有しており、
   前記第１部分の前記骨組みの長さ方向に直角な断面積は、前記第２部分の前記長さ方向に直角な断面積よりも大きく、
   前記膨張性材料は、膨張することによって、前記骨組みを前記自動車のルーフ及びピラー内の空洞に固定し、前記複数の骨と共に用いられてエネルギーの分散を提供するように構成されており、
   前記複数の骨は、前記骨組みの長さ方向と平行、又は、直角となるように、少なくとも前記骨組みの壁部分の一部分上に配置され、前記膨張性材料に覆われていない、
   補強システム。
2. 前記膨張性材料はポリマー発泡材料である、請求項１記載の部材。
3. 前記膨張性材料はエポキシベースのポリマー発泡材料である、請求項１記載の部材。
4. 前記膨張性材料は熱により活性化して膨張するポリマー発泡材料である、請求項１記載の部材。
5. 前記膨張性材料はほぼ粘着性のない膨張性ポリマー発泡材料である、請求項１記載の部材。
6. 前記膨張性材料は自動車の塗装処理における温度で活性化される膨張性プラスティック発泡材料である、請求項１記載の部材。
7. 前記第１部分の複数の骨の少なくとも２つは、相互に交差しており、前記第１部分の複数の骨は、前記膨張性材料に覆われていない、請求項１記載の補強システム。
8. 前記骨組み及び前記膨張性材料は、前記膨張性材料の膨張によって、流体を含む物質が通過できないように前記空洞を封止する、請求項１記載の補強システム。

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